Software: FEM - Tutorial - Topologie-Optimierung - mit OC-Verfahren in Z88Arion

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Optimality‐Criterion Verfahren (OC-Verfahren in Z88Arion)

Das Optimality-Criterion (OC) Verfahren wird verwendet, um die Steifigkeit eines Bauteils zu maximieren bzw. dessen Nachgiebigkeit zu minimieren. Wie beim Formengenerator von Autodesk Inventor erzeugt das OC-Verfahren einen Designvorschlag für ein Bauteil, der eine minimale Nachgiebigkeit bzw. maximale Steifigkeit in Bezug auf ein vorher festgelegtes relatives Volumen aufweist:

• Es wird davon ausgegangen, dass das Ausgangsbauteil mit vollem Material im gesamten Bauraum die steifste Variante darstellt.
• Es muss ein Bauteilvolumen vorgegeben werden, das am Ende der Optimierung unterschritten werden soll - das sog. Zielvolumen 𝜐·𝑉⁰. Dabei ist 𝑉⁰ das Ausgangsvolumen und 𝜐 ist der Füllgrad, der erreicht werden soll.
• Die mathematischen Hintergründe des OC-Verfahrens werden im Z88Arion-Handbuch auf den Seiten 7-11 ausführlich erläutert. Diese Hintergründe stehen für den Formengenerator des Autodesk Inventor in den Hilfedateien nicht zur Verfügung!

Wichtig:
Bevor wir die Verfahren der Struktur-Optimierung von Z88Arion auf unser kerbform-optimiertes Bauteil "Sonde_Zugdreiecke_xx.ipt" anwenden können, müssen wir im Autodesk Inventor die Geometrie in bewährter Form als STEP-Datei "Sonde.stp" in den aktuell genutzten Projektordner exportieren:

• Leider gelang es bei der Ausarbeitung dieser Übung nicht, im Z88Arion die importierte Geometrie zu vernetzen, wenn diese Bohrungen enthielt!
• Deshalb wird im Z88Arion die Befestigung der Sonde auf eine Fixierung der zu erhaltenden hinteren Anlagefläche reduziert, was zu ähnlichen Ergebnissen führt.
• Im Autodesk Inventor müssen dafür vor dem Export der STEP-Datei beide Bohrungen unterdrückt werden (danach darf das Bauteil jedoch nicht gespeichert werden!):
  

Nach dem Start von Z88Arion erscheint inhaltlich eine vertraute Benutzeroberfläche. Jedoch haben sich die Entwickler für einen dunklen Farbstil entschieden, der zumindest die Lesbarkeit inaktiver Funktionsbutton und Menü-Items erschwert:

1. CAD-Import: Nach dem Anlegen einer neuen Projektmappe "FEM6_Z88_OC_xx" (xx ... Teilnehmernummer) und dem Import der Bauteilgeometrie in Form der STEP-Datei zeigt die 3D-Netzdarstellung die daraus generierte Dreieck-Oberfläche der Sonde:
   
2. Materialdefinition: Für den bereits im Autodesk Inventor verwendeten ABS-Kunststoff definieren in der Materialdatenbank unter Beachtung der Maßeinheiten einen neues Material:
   

   Beachte: In Z88Arion wird eine von Z88Aurora völlig unabhängige Datendatenbank gepflegt. Die gespeicherten Materialdateien sind nicht kompatibel!

3. Vernetzung: Die Qualität der Vernetzung sollte ungefähr mit der aus dem Autodesk Formengenerator übereinstimmen, um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten:
   • Dabei muss man beachten, dass im Z88Arion nur Tetraeder mit linearer Ansatzfunktion nutzbar sind, während wir im Autodesk Inventor eine Ansatzfunktion höherer Ordnung verwendeten.
   • Die Elementgröße sollte also etwas kleiner als im Autodek Inventor gewählt werden (zur Ersparung langwieriger Vernetzungsversuche sollte man z.B. Netgen mit 0.5 mm Elementgröße verwenden):
     
4. Randbedingungen:
   • Tast-Kraft:

     Die Kraft von 3 N kann von der Wirkung genauso definiert werden, wie im Formengenerator.

   • Befestigung (Hintere Anlagefläche)

     Anstatt der Schraub- und Stiftverbindung kann ersatzweise eine komplette Fixierung der hinteren Anlagefläche erfolgen. In welchem Maße dies Einfluss auf die Topologieoptimierung besitzt, muss erst noch analysiert werden. Bei Bedarf ist die Fixierung eventuell auf den zu erhaltenden Bohrungsbereich zu beschränken.

   • Beizubehaltende Bereiche:

     Alle bei der Topologie-Optimierung nicht zu verändernden Elemente sind in Form eines Knoten-Set zu definieren. Sind (wie in unserem Beispiel) die beizubehaltenden Bereiche nicht zusammenhängend, so müssen alle markierten Einzelbereiche zu einem Knoten-Set zusammengefasst werden. Dieser Knoten-Set wird dann als Fix-Set in der Registerkarte "Topologieoptimierung" der Randbedingungen definiert.

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